3G网络2T4R覆盖增强技术研究
【摘 要】3G网络在部分地区存在着覆盖深度不足的问题，尤其是农村地区。引入2T4R技术可以提高3G基站覆盖能力，达到改善上下行的覆盖半径和容量的效果。通过对2T4R技术的覆盖效果进行验证，研究和总结在不同场景下2T4R技术不同配置的覆盖性能、信号和数据速率的增益，并与传统的1T2R技术进行对比，给出网络部署的应用建议。
【关键词】MIMO 2T4R RRU HSDPA HSUPA
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.24.005 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2015）24-0026-05
引用格式：宋蒙，李一矗李轶群. 3G网络2T4R覆盖增强技术研究[J]. 移动通信， 2015，39（24）： 26-30.
Research on 2T4R Coverage Enhancement Technique for 3G Network
SONG Meng， LI Yi-zhe， LI Yi-qun
（China Unicom Network Technology Research Institute， Beijing 100048， China）
[Abstract]3G network suffers from insufficiently deep coverage in some areas， especially in rural areas. The introduction of 2T4R technique can enhance the coverage capability of 3G base station and improve the coverage radius and capacity on both uplink and downlink. The coverage effect of 2T4R technique was verified. Improvements of coverage performance， signal and data rate for different configurations of 2T4R technique in different scenarios were researched， summarized and compared with the conventional 1T2R technique. Finally， the application suggestions on network deployment were presented.
[Key words]MIMO 2 Transmit 4 Receive remote radio unit high speed downlink packet access high speed uplink packet access
1 引言
目前运营商3G网络经过多年的建设已基本实现了重点城市、县城和乡镇的连续覆盖。但是，在部分地区尤其是农村地区，3G网络仍然存在覆盖深度不足的问题，这严重影响了业务质量。如何便捷高效地提升农村覆盖效果，改善用户体验是亟待解决的问题。为了提高3G基站的覆盖能力，改善用户体验，考虑引入2T4R（2 Transmit 4 Receive，即基站下行2天线发射，上行4天线接收）技术解决部分农村地区存在无覆盖、弱覆盖、覆盖不连续的现象，相比现网中传统的1T2R，2T4R能够获得更好的发射/接收增益，提升覆盖效果。本文通过对2T4R技术深度覆盖能力及效果的验证结果进行分析，研究在不同区域不同设备配置下2T4R的覆盖性能，并与传统的1T2R技术进行覆盖效果的对比，总结2T4R技术的增益效果，给出网络建设的应用意见。
2 2T4R技术原理
随着移动通信网络建设的不断加快、移动用户的飞速增加，在大中城市地区已经基本可以做到无缝覆盖，但在农村地方由于用户密度小，初期的基站建设仅仅实现了基本覆盖。随着移动资费的降低，乡镇农村等地区的用户数也在快速提升，话务量也在快速增长，部分地区由于距离基站过远，加之建筑墙体和树木等遮挡物造成的路径损耗，导致了弱覆盖。另外，有些基站由于基站扩容时合路方式发生变化带来的插损也会造成部分地区的弱覆盖，出现信号覆盖不稳定、数据速率较低、呼叫失败、掉话、话音质量差等问题。
为了提高3G基站的覆盖能力，解决农村地区的弱覆盖问题，目前可以采用RRU（Remote Radio Unit，射频拉远单元）拉远、提高发射功率、升级到2T4R等方法[1]。本文将重点介绍2T4R技术。
目前3G现网中基站天线一般是按照1T2R建设的，2T4R技术就是在现有1T2R基础上增加1路发射和2路接收。2T4R增强技术本质上属于MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）技术，包含多个发射天线和接收天线的MIMO系统可以获得比单天线系统高得多的频谱利用率和数据传输速率[2]。
在非相关衰落信道下，MIMO系统都可等效地看成min（Nt ，Nr）个并行单天线系统的叠加，其信道容量随信噪比线性增加，是单天线系统信道容量的min（Nt ，Nr）倍。Nt 为发射天线数量，Nr为接收天线数量。 系统的传输速率必定不会大于信道容量，所以可以假设MIMO系统的传输速率为：
R=KC（SNR）=k×min（Nt ，Nr）×log2（1+SNR），0≤k≤1 （1）
其中log2（1+SNR）是单天线系统的最大传输速率，而MIMO系统的空间复用增益r即为能够得到的传输速率与SISO（Single Input Single Output，单输入单输出）系统的最大传输速率log2（1+SNR）的比值，即：
r=R/log2（1+SNR）=k×min（Nt ，Nr） （2）
MIMO系统能够得到的最大空间复用增益为min（Nt ，Nr）[3]。
通过以上分析可以看出，传统的1T2R并没有带来容量的提升，而2T4R系统可以带来复用增益，成倍地增加系统容量。另外，和传统的1T2R相比较，理论上2T4R在下行和上行也可以获得每副天线3dB的设备增益[4]，更好地对抗多径衰落，可以降低误码率，提高上行速率，扩大覆盖范围，显著提高边缘地区的用户体验。
3 2T4R性能分析
通过选取农村不同的典型场景，通过对1T2R和2T4R的覆盖效果进行对比，分析2T4R技术带来的增益。2T4R验证方案如表1所示：
表1 2T4R验证方案
天线配置 模拟场景 验证内容
1T2R 2×20W
1T2R 2×40W
2T4R 2×20W
2T4R 2×40W 密集遮挡场景 主要验证在不同天线配置下：
1.室外语音、数据业务的覆盖距离;
2.室内满足语音和低速数据业务的覆盖距离。
空旷场景
全网 升级2T4R后，整网性能提升。
表1简要列出了天线配置、典型的应用场景以及验证的内容。基站天线的配置主要有4种：1T2R 2×20W、1T2R 2×40W、2T4R 2×20W和2T4R 2×40W。主要从3个方面验证2T4R的增益效果：
（1）室外覆盖距离：不同配置下单站的语音业务、下行数据业务HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入技术）和上行数据业务HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入技术）的室外最大覆盖距离。
（2）室内覆盖：在小区边缘室内场景并且满足可进行语音和中低速数据业务的最低要求下最远的覆盖距离。
（3）评估升级到2T4R技术对网络整体性能的改善。
3.1 典型场景下2T4R增益分析
2T4R的性能分析主要包括密集遮挡的场景和较为空旷的场景这2类典型场景下2T4R的覆盖效果，以及2T4R对网络信号和速率的改善分析。
（1）场景1――密集遮挡场景
该场景模拟了农村室外道路两旁有密集遮挡的情况，主要特点是存在连续密集的树木或者建筑物等遮挡物。该场景下站高50m，天线下倾角2°，天线增益18dBi。建筑物的遮挡大约在10dB左右。
图1给出了4种不同配置下语音和数据业务的覆盖距离，其中第1组数据表示进行语音业务直到RSCP低于-100dBm时的距离;第2、3组数据分别代表HSDPA和HSUPA速率为0时的距离。可以看出2T4R的配置能够提升覆盖距离，特别是在HSUPA的情况下尤为明显。进行数据业务时覆盖距离明显地受限于上行业务。
图1 场景1室外覆盖距离
表2给出了不同配置下室内外覆盖的对比。根据表2的结果，1T2R站点升级到2T4R（2×20W）后，室外覆盖距离从1.6km左右扩展到1.91km左右，室外上行覆盖距离能够增加大约20%。1T2R的室内覆盖距离为1.26km左右，2T4R可将其扩展到1.88km左右，也可以带来大约50%的提升。对比1T2R和2T4R室内外的覆盖距离的差值可以明显看出：2T4R对抗衰落和建筑遮挡的能力更强，能够有效保证室内外的覆盖效果。
表2 密集遮挡场景4种不同配置下的室内外覆盖对比
配置 1T2R
2×20W 1T2R
2×40W 2T4R
2×20W 2T4R
2×40W
室外覆盖距离/km 1.60 1.67 1.91 1.94
室内覆盖距离/km 1.26 1.27 1.88 1.88
（2）场景2――空旷场景
该场景主要是以没有遮挡的公路、铁路等场景为代表的相对比较空旷的部署场景。该场景下天线站高以及建筑物的损耗基本与场景1一致。空旷场景4种不同配置下室内外覆盖对比如表3所示：
表3 空旷场景4种不同配置下的室内外覆盖对比
配置 1T2R
2×20W 1T2R
2×40W 2T4R
2×20W 2T4R
2×40W
室外覆盖距离/km 4.21 4.23 6.28 5.83 室内覆盖距离/km 3.06 3.40 3.70 3.60
由表3可以看出，对于空旷场景，2T4R带来的覆盖改善效果同样十分明显，1T2R室外覆盖距离约为4.2km左右，改造成2T4R之后，覆盖范围扩展到至少5.8km以上，室外上行覆盖距离增加30%以上。而该场景室内覆盖，1T2R的室内覆盖距离为3km左右，2T4R可扩展到3.7km左右。
（3）全网增益
站点进行2T4R升级改造后，对由2T4R站点组成的整网的深度覆盖效果的提升进行综合分析。信号强度的对比如图2所示：
图2 信号强度对比
图2直观地反映出经过2T4R技术升级后，覆盖效果得到了明显的改善。RSCP小于-95dBm的比例，从1T2R 2×20W的31.65%，下降到2T4R 2×20W的21.57%，进一步提升功率到40W后更是下降到6.05%，有效扩大了高质量信号所占的区域。
整网下行/上行平均速率对比如图3所示。
从图3能够看出升级到2T4R之后，下行的平均速率从4900kbps上升到了5600kbps左右，提升了大约15%;上行平均速率也从1370kbps提升至1570kbps左右，提升了15%，这显著地改善了用户体验。
图3 整网下行/上行平均速率对比
（4）覆盖规划
综合以上分析，农村和郊区场景下，WCDMA系统一般为上行覆盖受限，考虑到至少能够满足室内可进行语音和中低速数据业务的最低要求，农村典型场景的参考覆盖范围和站间距参考如表4所示：
表4 农村典型场景的1T2R/2T4R覆盖范围和站间距
场景 最小覆盖范围/km 最小站间距/km
1T2R
2×20W 2T4R
2×20W 1T2R
2×20W 2T4R
2×20W
密集遮挡地区 1.3 1.9 1.9 2.8
平原空旷地区 3.0 3.7 4.6 5.5
2×20W发射功率配置的2T4R系统相对于原有的20W发射功率配置的1T2R系统，室外覆盖范围和站间至少也有20%以上的增益。在农村目前基站数量较少或者建设新站存在困难的场景下，2T4R技术可以有效地拓展覆盖距离，利用已有的基站实现更好的覆盖效果，减少覆盖盲点，改善用户体验，提升系统容量。
4 2T4R改造成本分析
2T4R升级改造方案示意图如图4所示。
如图4所示，在实际的改造中，2T4R是在原有天馈基础上添加一根双极化天线或者将原网天线替换为一面四端口天线，还需要在现网基础上新增一套RRU、光纤连接BBU（Building Baseband Unit，基带处理单元）至新RRU以及新的天线。若增加天线则新增天线应与原有天线型号参数相同，同时为了避免不必要的损耗，两副天线的馈线长度应该保持一致。因此升级2T4R会带来天线、RRU等设备、配套耗材的成本以及一定的人工成本。
图4 2T4R升级改造方案
图5给出了4种配置下的耗电对比，升级到2T4R 20W，由于增加了1套RRU和天线，功耗比1T2R 20W增加36%;进一步增加功率到40W，功耗比1T2R 20W增加53%。为了达到更好的覆盖效果，升级2T4R或者进一步增加功率均会带来一定的耗电成本。
图5 不同配置耗电对比
5 2T4R技术应用总结
本节根据2T4R技术带来的覆盖增益以及成本的分析结果给出2T4R技术的应用总结。2T4R的优势总结如下：
（1）和1T2R对比来看，2T4R对室外上行覆盖改善更明显：密集遮挡场景覆盖距离增益20%，空旷场景距离增益30%以上。
（2）网络经过2T4R改造升级后，RSCP-95dBm的比例从68%提升到94%，用户上下行平均速率提高15%。
2T4R可以增强穿透覆盖能力。针对存在密集遮挡的场景以及室内场景，若1T2R站点的覆盖被阻挡的较为严重，可以考虑用2T4R技术穿透遮挡区域，提高覆盖效果，改善信号质量，提升业务平均速率。2T4R增强的系统容量可以接纳更多的语音和数据用户，带来更多的经济效益。
2T4R技术需要增加一套射频系统，对现网改动相对较小，对现有3G终端也没有额外要求。但需要新的成本支出，包括增加的天线、RRU以及相关的耗材和人力成本。另外，2T4R还会带来额外的耗电，增加电力成本。
综上所述，2T4R技术很适合用于县城城区、郊区乡镇、农村等典型区域来解决弱覆盖或者无覆盖的问题。考虑到成本问题，在实际应用中可以在弱覆盖、强干扰等问题较严重的地区，或者建设新站存在困难的场景下利用已有的站点进行2T4R改造，减少覆盖漏洞，提升全网的覆盖水平。
6 结束语
文章简要介绍了2T4R的技术原理，然后在4种不同的配置情况下，对比不同场景下2T4R和1T2R的覆盖效果。最后总结了2T4R技术带来的覆盖增益，信号质量改善效果和速率的增益。2T4R技术能够带来较为明显的覆盖增强，并且改造升级对现网和终端的影响非常小，但是2T4R技术会带来一定的改造成本和额外的耗电。针对现网弱覆盖区域选择基站部署2T4R技术，能够有效解决乡镇农村深度覆盖的问题，改善用户语音和数据业务体验。
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